《太陽能熱泵仿真》word版

1、PAGE 理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯專 業(yè)： 熱能與動(dòng)力工程 姓 名： 郝亞飛 學(xué) 號(hào)： 09L0504206 外文出處： Solar Energy 83 (2009) 657663 (用外文寫) 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日附件1：外文資料翻譯譯文集成太陽能加熱系統(tǒng)：從最初的分級(jí)系統(tǒng)到動(dòng)態(tài)仿真摘要: 現(xiàn)在已經(jīng)有很多方法能夠解決個(gè)人住宅太陽能的安裝標(biāo)準(zhǔn)。本文所描述的方法是一種重要的，簡(jiǎn)化了的程序。這種方法只需要少量的數(shù)據(jù)就可以在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出結(jié)果。經(jīng)過復(fù)雜的分級(jí)分析方法和詳細(xì)的仿真，已經(jīng)評(píng)估了這個(gè)程序的性能。這個(gè)簡(jiǎn)化的程序可以應(yīng)用

2、于個(gè)人住宅的太陽能系統(tǒng)，用以提供家用熱水和供暖。通過模擬軟件TRNSYS 16模擬的建筑和太陽能系統(tǒng)，其運(yùn)行狀況經(jīng)過了一整年的模擬，最后模擬的結(jié)果和簡(jiǎn)化程序所期待的結(jié)果非常相近。關(guān)鍵詞：太陽能加熱系統(tǒng);初始分級(jí);瞬態(tài)系統(tǒng)。 簡(jiǎn)介太陽能的開發(fā)利用可以通過不同的方法和技術(shù)（比如例如太陽能集熱器和光伏電池板直接利用太陽能、生物能燃燒和風(fēng)能至于間接利用太陽能）；還有通過不同的原則（熱轉(zhuǎn)換用于太陽能集熱器，光電轉(zhuǎn)換用于光伏太陽能電池板，光合作用用于生物能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成風(fēng)能）。在通常情況下，主要的設(shè)計(jì)和操作問題在于能量需求、能量供應(yīng)和后備能源來源之間的不協(xié)調(diào)。利用太陽能最重要的是設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)，其中有很多

3、配置可以采用。研究能量需求、能量供應(yīng)、轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)和備份特點(diǎn)之間的關(guān)系的問題這可以稱為一個(gè)集成問題。 在這個(gè)集成問題已經(jīng)可以解決。通過確定影響太陽能系統(tǒng)性能參數(shù)之間的關(guān)系，然后找到主要設(shè)計(jì)參數(shù)，通過優(yōu)化系統(tǒng)建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，或者模擬在不同情況下，按不同的作用將參數(shù)進(jìn)行分類組合，再進(jìn)行分析。 由于太陽能的特點(diǎn)是在一定時(shí)間內(nèi)具有很大的可變性，所以需要執(zhí)行詳細(xì)的瞬態(tài)分析。例如，對(duì)于太陽能集熱器，達(dá)菲和貝克曼（1980）進(jìn)行了相關(guān)工作，他們使用了一個(gè)專門的工具（TRNSYS,2000-2005）,后來演變成一個(gè)建筑模型軟件。這些分析需要輸入大量的參數(shù)，而參數(shù)的值有時(shí)很難確定。在設(shè)計(jì)的最初階段，設(shè)計(jì)師可

4、能隨便設(shè)定一些參數(shù)。最后，他們會(huì)把參數(shù)設(shè)置為軟件手冊(cè)所默認(rèn)的設(shè)定值。眾所周知，設(shè)計(jì)的最初階段將影響建筑和服務(wù)的能源和環(huán)保效率。這一事實(shí)凸顯出簡(jiǎn)化模型相互關(guān)系，優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的重要性。符號(hào)表Ac 太陽能集熱器面積（m2）D 太陽熱能需求量（ SKIPIF 1 0 ）DDHW 家用熱水需能量（ SKIPIF 1 0 ）Dh 環(huán)流供熱需能量（ SKIPIF 1 0 ）Fsav 部分能量?jī)?chǔ)蓄定義為被水箱吸收的能量除以總能量Gs 太陽能受益（ SKIPIF 1 0 ）I 照射在集熱器上的太陽能（ SKIPIF 1 0 ）V 存儲(chǔ)量（m3）g 年均太陽能系統(tǒng)效率定義為太陽能集熱器吸收的太陽能總能量除以太陽

5、總的輻射量一篇文獻(xiàn)論述過，雖然受制于現(xiàn)在的條件，天陽能現(xiàn)在還只能用于民用供熱和環(huán)流供熱，但已經(jīng)引起了相關(guān)研究人員在將太陽能直接熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的高度關(guān)注。德隆提出了太陽能聯(lián)合系統(tǒng)日平均函數(shù)（這些系統(tǒng)通常通過地板輻射傳熱），并和TRNSYS仿真工具的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。該方法用于從經(jīng)濟(jì)方面分析集熱器面積和蓄熱之間的關(guān)系， 僅僅依靠蓄熱規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它每日的產(chǎn)能，這是不經(jīng)濟(jì)的。約旦和威金進(jìn)行了一項(xiàng)研究，他們研究了一個(gè)負(fù)載對(duì)于太陽能系統(tǒng)在能源儲(chǔ)蓄和系統(tǒng)操作中的影響，主要是對(duì)于制備熱水性能方面。它導(dǎo)致的負(fù)載不能被忽略，尤其是在性能不同的存儲(chǔ)設(shè)備中。負(fù)載的外形對(duì)于太陽能聯(lián)合系統(tǒng)有很大的影響，克努森，包和佩爾森

6、對(duì)此進(jìn)行了研究，并提出了不同單位的數(shù)據(jù)是耦合的。另一項(xiàng)潛在的節(jié)能方法，是設(shè)計(jì)一個(gè)特定的太陽能罐，它通過不同級(jí)別記性排放，并且提高備用源的效率來進(jìn)行工作。在這篇文章中，對(duì)太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的集成問題進(jìn)行了分析，這種問題主要存在于國(guó)內(nèi)民用建筑中的熱水供應(yīng)和供暖。在太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的研究之初，就要對(duì)設(shè)計(jì)和操作進(jìn)行詳細(xì)的分析。通過不同的案例研究，提出了想對(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)，且對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。一個(gè)簡(jiǎn)單的分級(jí)系統(tǒng)程序被提出來了。然后，通過在一個(gè)案例的上的應(yīng)用，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論分析，最后研制出了一種詳細(xì)的仿真程序軟件。 系統(tǒng)程序的初始大小作為第一步，太陽能加熱系統(tǒng)的初始標(biāo)準(zhǔn)由某些敏感性性能

7、曲線的結(jié)果來確定。最初的選擇值要從集熱器面積和存儲(chǔ)量?jī)煞矫孢M(jìn)行考慮，而且要輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)模擬和敏感性分析。性能曲線能幫助系統(tǒng)進(jìn)行初始分級(jí)，利用一個(gè)天然氣后備儲(chǔ)罐確定空間加熱和環(huán)流供熱，并提供87平米的住宅建筑的介質(zhì)慣性和都靈的氣候條件。在這個(gè)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定一個(gè)靈敏度來完成能源仿真程序，假設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為15分鐘。年度部分儲(chǔ)蓄變異可以合成表示，其根據(jù)是太陽能集熱器面積和在圖一上反映的不同曲線。 對(duì)最合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行靈敏型分析，可以寫成一個(gè)關(guān)于集熱器面積的二次函數(shù)，其系數(shù)是每項(xiàng)對(duì)數(shù)函數(shù)的存儲(chǔ)體積V。 數(shù)值 性能曲線圖1. 太陽能集熱器面積在部分能源儲(chǔ)蓄上的函數(shù)表示，為不同的存儲(chǔ)量對(duì)比模擬值和性能曲線

8、。 SKIPIF 1 0 m和n的值決定減少二次區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和方程輸出，一下是通過減少優(yōu)化梯度算法： SKIPIF 1 0 一個(gè)好的相關(guān)系數(shù)R2是等于0.990，是由模擬計(jì)算值估算出來的。在圖一中，把不同的模擬值繪制成曲線，增加集熱器面積和存儲(chǔ)體積有利于能源儲(chǔ)存。因此，第二個(gè)性能曲線由太陽能年平均效率決定，其函數(shù)變量為Ac和V。在同一時(shí)間內(nèi)，平均效率通過太陽收益和太陽能之比估算出來。它考慮到：太陽能集熱器的平均性能在這些條件下，流體溫度，太陽輻射和空氣溫度將大大影響集熱器的效率。 加熱所需要能量的可變性（空間加熱和家用熱水加熱） 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)（水在水箱的充放電） 在這種情況下，關(guān)于集熱器面積的三次函數(shù)

9、，每個(gè)系數(shù)是存儲(chǔ)體積V的對(duì)數(shù)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)。這個(gè)曲線可以表達(dá)為： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的值決定減少二次區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和方程輸出，一下是通過減少優(yōu)化梯度算法： SKIPIF 1 0 在這種情況下，一個(gè)好的相關(guān)系數(shù)R2等于0.960。在圖2中，根據(jù)不同的存儲(chǔ)量的值去繪制性能曲線：增加集熱器面積，將會(huì)降低效率（不過，在這種情況下，可以再增加能量?jī)?chǔ)蓄的同時(shí)適當(dāng)增加集熱器面積）。很明顯，這個(gè)平衡是兩Fsav和曲線的值經(jīng)過標(biāo)匯達(dá)到的：根據(jù)圖3，可以看到所有兩條曲線的交點(diǎn)有同樣的集熱器面積。定義Fsav（太陽增益和加熱所需能源之間的比例）和g太陽能增益和太陽

10、入射量之間的比例）。此時(shí)，太陽能集熱器面積所吸收的太陽能等于加熱能源需求D。這個(gè)值是集熱器的面積（圖3中A點(diǎn)），通過Fsav和g得到。如果集熱器面積設(shè)計(jì)遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，那么節(jié)省能源的分?jǐn)?shù)等于系統(tǒng)效率。如果選擇的集熱器面積值小于A點(diǎn)的值，那么這將降低太陽能的收益，無法達(dá)到效率最大化。點(diǎn)A并不代表一種最優(yōu)化的條件，因?yàn)閷?shí)際所采用的往往比這個(gè)點(diǎn)所代表的集熱器面積大。因?yàn)槟昶骄式档?，所以要采用一種更有效率的方法。在陽光照射量有限的地區(qū)，采用太陽能。 數(shù)值 性能曲線轉(zhuǎn)換器比安裝太陽能集熱器更高效。圖2. 太陽能年平均效率對(duì)太陽能集熱器面積的函數(shù)：不同存儲(chǔ)量的對(duì)比模擬值和性能曲線。效率 部分儲(chǔ)蓄圖3.不

11、同存儲(chǔ)量所對(duì)應(yīng)的能源節(jié)省和年平均效率之間的平衡曲線根據(jù)第二個(gè)限制找到B點(diǎn)，這些點(diǎn)代表著平均效率和效率的交點(diǎn)，比如：給定一個(gè)存儲(chǔ)量，它肯定不是代表著提高太陽能效率的點(diǎn)，實(shí)際上超過該地區(qū)對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)。這種情況下，用pv代替太陽能集熱器更方便。通過安裝太陽集熱器的面積可以找到A點(diǎn)和B點(diǎn),考慮到太陽能轉(zhuǎn)換器的效率（通常比較?。?，采用的集熱器面積小于A點(diǎn)的值是不方便的，因?yàn)檎缰疤岬降模柲苁找娲蟠鬁p小。 3 案例研究 該案例研究采用的是國(guó)際能源機(jī)構(gòu)工作任務(wù)，用以評(píng)估歐洲太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的性能（結(jié)合國(guó)內(nèi)熱水生產(chǎn)體系和加熱系統(tǒng)，均使用太陽能收集器和鍋爐），并且在2001年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。這項(xiàng)工作的任務(wù)之

12、一是用變化的數(shù)據(jù)模擬這些系統(tǒng)。為滿足這項(xiàng)要求，在一個(gè)基地的某個(gè)模型建筑物中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。3.1 建筑物圖4. 建筑圖建筑是一棟獨(dú)立的房子，表面積140平米，基于兩個(gè)方面。這是為了保證年度空間消耗60kWh/m2。 這是模擬56式和TRNBUILD式接口?？紤]到全球消費(fèi)和尺寸標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果是一個(gè)單區(qū)模型將提供足夠的細(xì)節(jié)。這就是配置已經(jīng)選擇好的原因。窗戶是雙層玻璃，模型是從TRNBUILD圖書館選擇的。 活躍的太陽能 產(chǎn)生熱系統(tǒng)是由太陽能集熱器和木材供給燃燒的鍋爐組成。太陽能集熱器和鍋爐連接到兩個(gè)循環(huán)，它提供給流體熱量，流體在儲(chǔ)罐的兩個(gè)熱交換器中，家庭熱水加熱用的就是這種罐。另一個(gè)循環(huán)連接加熱地板

13、用來加熱房子。 加熱地板分為兩部分，每塊面積70平米，位于第一和第二的房子的地板。這兩個(gè)加熱地板為流體提供熱量并通過兩個(gè)并行循環(huán)。管道網(wǎng)格是地板中的活躍層。管間的中心距是10厘米，管道外徑是2厘米。加熱流體有30%的乙二醇，熱量為3.74kJ/kg。分流閥保持傳入的流體溫度約為30，加熱流體在儲(chǔ)罐中進(jìn)行熱交換。流體的流量為500KJ/h，太陽能集熱器模型在表3中進(jìn)行描述。表1 窗戶面積墻體方向 北 南 東 西窗戶外表面積（ SKIPIF 1 0 ） 3 12 4 4表2 墻體描述墻體類型 方向 面積（ SKIPIF 1 0 ） 導(dǎo)熱率( SKIPIF 1 0 )外墻 北 50 0.342外墻

14、南 50 0.342外墻 西 40.5 0.342外墻 東 40.5 0.342屋頂 北 61.4 0.227屋頂 西 25 0.227地面 水平 70 0.196內(nèi)墻 200 2.268 水箱鍋爐加熱層太陽能集熱器 圖5. 流體加熱循環(huán)方案3.3 能量系統(tǒng)的控制過程 地板供熱的控制過程很簡(jiǎn)單。溫度從19.5到20.5的變化作為一個(gè)滯回加熱循環(huán)：當(dāng)溫度低于19.5時(shí)，地板供熱開始工作；當(dāng)溫度高于20.5時(shí)，地板供熱停止工作。溫度降低到19.5時(shí)，新的工作周期開始。太陽能集熱器泵的控制也很簡(jiǎn)單：當(dāng)流體離開集熱器的溫度高于水箱的平均溫度時(shí)，它是打開的。一個(gè)5的不工作區(qū)，是為了避免換流問題。3.4

15、邊界條件和其他假設(shè) 環(huán)境選擇仿真選擇在意大利都靈，因?yàn)槟抢锏臍夂蚺鸵恍?。天氣文件使用的是?都靈-160590.tm2”，這個(gè)條件選自天氣文獻(xiàn)圖書館。假設(shè)地面恒定溫度12，以這個(gè)假設(shè)作為邊界條件。表3 太陽能集熱器特征面積 攔截效率 效率（ SKIPIF 1 0 ） 曲線效率（ SKIPIF 1 0 ） 第一命令 第二命令 1 0.691 3.4 0.002 0.7939 0.00553.5 空間加熱和加用熱水加熱的能量需求地板加熱已經(jīng)有了一個(gè)簡(jiǎn)單的控制方法。用戶自己設(shè)定溫度的上下限值。如果建筑物的環(huán)境溫度低于下限值，那么供熱地板是工作的。如果環(huán)境溫度高于上限值，那么供熱地板是不工作的。在這

16、個(gè)案例中，下限值設(shè)為19.5，上限值設(shè)為20.5。第一年度的仿真實(shí)驗(yàn)得到了一個(gè)估計(jì)值，空間加熱84 kW h/m2，熱水加熱24 kW h/m2。3.6 初始分級(jí)一旦知道了知道了空間加熱和熱水加熱的能量需求，一個(gè)12m2的太陽能集熱器將被作為第一個(gè)假設(shè)進(jìn)行詳細(xì)的分析。一個(gè)存儲(chǔ)量為2m3的集熱器，可以完成每年效率的30%。4 最初分析過程的詳細(xì)仿真為了評(píng)估之前所描述的分級(jí)過程，一組在瞬態(tài)系統(tǒng)下模擬運(yùn)行。太陽能系統(tǒng)已經(jīng)與一個(gè)相似的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了比較，第二個(gè)到超大號(hào)和小號(hào)的太陽能系統(tǒng)。4.1 范圍 該案例的研究方法已經(jīng)在第三節(jié)進(jìn)行了描述。模擬幾個(gè)配置的有源系統(tǒng),第一個(gè)模擬是一個(gè)參考仿真。加熱系統(tǒng)是一

17、個(gè)電加熱地板,加熱功率是2KW。儲(chǔ)罐的容量是250L，僅用于儲(chǔ)存家用熱水。還有一個(gè)2KW的電動(dòng)輔助加熱系統(tǒng)。 接下來的一組有三個(gè)模擬在進(jìn)行。在這些情況下，加熱系統(tǒng)的熱量由地暖儲(chǔ)罐提供（如前所述）。該太陽能集熱器提供一個(gè)2m3的儲(chǔ)罐。三個(gè)型號(hào)的集熱器已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)性能計(jì)算程序如圖4。 模擬運(yùn)行日期從1月1日到12月31日。6分鐘為一個(gè)步長(zhǎng)。良好的操作類型保證了一個(gè)小時(shí)內(nèi)的步長(zhǎng)，但是這個(gè)值對(duì)于操作系統(tǒng)和集熱器來說太長(zhǎng)了。幸運(yùn)的是該操作系統(tǒng)也可以自己設(shè)置，使用1/N為一個(gè)步長(zhǎng)，N為整數(shù)。6分鐘一個(gè)步長(zhǎng)已經(jīng)被選作仿真系統(tǒng)。一個(gè)密切檢測(cè)模型中，仿真顯示任何不正確的行為。這個(gè)允許誤差集成和融合是0.

18、001。流量kg/h圖6. 家用熱水4.2 研究結(jié)果 第一個(gè)模擬決定了建筑空間加熱的能源需求, 84.4 SKIPIF 1 0 如期所述的太陽能系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)在的太陽能加熱系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)的效率是29.6 SKIPIF 1 0 ，考慮進(jìn)節(jié)能因素等于27.98%。超大型系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為28.2%和Fsav為32.4%。小系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為33.0%，F(xiàn)sav為21.1%。（表5-7） 結(jié)論第二節(jié)已經(jīng)對(duì)簡(jiǎn)化程序的證明進(jìn)行了概述，在參照其他太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)評(píng)估太陽太陽能系統(tǒng)的可行性時(shí)，引起了很大的關(guān)注。太陽能集熱器面積的唯一數(shù)據(jù)，來自于能量需求和每年接收到的太陽能。如前所述，這個(gè)值不是一個(gè)最優(yōu)條件，但已經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)能源高效的條件,可以用作一個(gè)起始數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析。表4 仿真參數(shù)仿真數(shù)值 1 2 3 型號(hào) 適宜型號(hào) 過大型號(hào) 過小型號(hào)集熱器面積（ SKIPIF 1 0 ） 12 14 8表5 仿真1的